分布式光纖在混凝土結構裂縫監(jiān)測中的應用

葉宇霄+趙新銘+吳剛+謝雪峰+姚劍

摘 要：分布式光纖在結構健康監(jiān)測的應用中，定量分析裂縫是難點。裂縫對光纖產生拉伸、彎曲和折角的影響，需要深入研究各因素影響程度。測試光纖角度的頻移影響，并對比研究了軸向拉伸造成的頻移影響。提出一種基于BOTDA分布式光纖傳感的計算公式并將該公式運用于裂縫成像軟件中。試驗結果表明：在裂縫產生后，光纖角度的變化對試驗結果產生較大影響，且考慮角度因素后，裂縫成像更接近真實情況。使用分布式光纖監(jiān)測混凝土裂縫時，需要考慮角度問題。

關鍵詞：混凝土；裂縫；光纖傳感；角度

中圖分類號：TU317 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2018）01-0024-06

Application of distributed optical fiber in the monitoring of cracks in concrete structures

Ye Yuxiao1， Zhao Xinming1， Wu Gang2， Xie Xuefeng2，Yao Jian2

（1. Department of Civil Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，P.R. China；2.Jiangsu Taizhou Water Bureau，Taizhou 225300，Jiangsu，P.R. China）

Abstract：In the application of distributed optical fiber structure health monitoring， quantitative analysis of cracks is difficult. The effect of tensile， bending and folding on optical fiber and the influence degree of various factors needs to be studied. In this paper， the influence of frequency shift on optical fiber angle is tested and the effect of frequency shift caused by axial tension is compared. A new calculation formula based on BOTDA distributed optical fiber sensing is proposed and applied to crack imaging of software. The experimental results show that the change of the optical fiber angle has a great influence on the experimental results after the crack is generated， and the fracture imaging is closer to the real situation after taking the angle factor into account. Therefore， when using distributed optical fiber to monitor concrete cracks， the angle should be taken into account.

Keywords：concrete；crack；fiber sensor； angle

自大量使用鋼筋混凝土作為建筑材料以來，混凝土裂縫就是困擾專家們的熱點問題[1]?；炷两Y構從筑成到退出工作始終有裂縫伴生，裂縫的存在不可避免，隨著裂縫的發(fā)展，混凝土結構的力學性能和耐久性將會受到影響，必須根據(jù)結構的功能和工作環(huán)境對裂縫采取不同措施[2]。結構建成后產生的裂縫難以修補，且有可能造成嚴重后果，需要根據(jù)裂縫的大小、形狀、方向、分布以及結構所處的環(huán)境條件等評估裂縫的危害等級，從而決定采取相應的補救措施[3]?；炷亮芽p的寬度不宜超過0.4 mm，過大的裂縫會使鋼筋銹蝕。因此，需要準確可靠的裂縫監(jiān)測方式。

光纖傳感器監(jiān)測技術因具有實際操作簡單、可分布式布置、探測距離長、對外界刺激敏感、對結構工作性能影響較小等特點，在結構健康監(jiān)測（Structural Health Monitoring，SHM）中與其他點式監(jiān)控手段相比具有顯著優(yōu)勢。經過學者們深入研究，光纖定性監(jiān)測技術已經得到長足發(fā)展和進步。錢振東等[4]對鋼橋面疲勞裂縫進行研究。何勇等[5]、毛江鴻等[6]對使用光纖監(jiān)測結構裂縫的應用進行研究，建立了300 mm標注的光纖裂縫傳感器監(jiān)測裂縫寬度、夾角的數(shù)學模型。康師表[7]基于BOTDA的鋼橋面鋪裝裂縫疲勞擴展進行研究。分布式光纖的高精確性確保他可以達到預測裂縫出現(xiàn)的可能[8]，而且具備同時監(jiān)測多類數(shù)據(jù)的可能（應變、溫度）[9]。因此，光纖在監(jiān)測裂縫的問題上仍有很大的研究空間。雖然，在分布式光纖監(jiān)測混凝土結構裂縫這一領域，相關科研人員已經得到一些成果，但還不能滿足實際工程對裂縫監(jiān)測的要求。已經有將分布式光纖應用于工程實際問題的先例，并證實至少在較小范圍內可以適應復雜的裂縫情況[10]。

首先，闡述了分布式光纖監(jiān)測裂縫角度的理論公式。通過布置在玻璃板上粘貼軸向和斜交光纖試驗，分析在合理的裂縫寬度范圍內（0～1 mm）光纖與裂縫夾角占總頻移的比例，以確定角度因素是否存在考慮的必要性.通過不同光纖夾角試驗，推出光纖夾角與頻移關系，再通過得到的角度頻移關系，修正只考慮溫度和軸向應變的傳統(tǒng)公式；隨后，使用新公式編程，編寫成像軟件并與真實的裂縫情況進行對比，討論該公式的可行性。endprint

1 分布式傳感技術及監(jiān)測原理

分布式光纖傳感技術發(fā)展迅速，目前，主要有基于瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射等的主要技術。其中，基于瑞利散射的OTDR測量精度不足，傳感距離不夠，現(xiàn)有的研究較少；基于拉曼散射的有關技術返回信號較弱；基于布里淵散射的相關技術與其他技術相比具有明顯優(yōu)勢。

1.1 BOTDA監(jiān)測技術原理

BOTDA全稱為 Brillouin Optical Time Domain Analysis（布里淵光時域分析），是一款基于布里淵散射的分布式光纖傳感器。其監(jiān)測到的布里淵散射頻移量vB與溫度、應變的變化呈線性關系。由此，可以通過監(jiān)測vB獲得光纖各部位應變和溫度的變化量?，F(xiàn)有研究認為，布里淵頻移量ΔvB應該符合如下關系式（1）[11]。

1.2 光纖角度原理

在中國，已經有利用光纖角度解決工程實際問題的相關理論和應用手段[12]。劉浩吾[13]對基于OTDR光纖傳感技術應用于混凝土重力壩的裂縫監(jiān)測進行了研究。提出了在單根光纖分辨率有限的情況下，通過改變光線的布設方式，與混凝土裂縫形成角度來提高光纖監(jiān)測精度。

在裂縫產生后，由于光纖被緊密地貼合在監(jiān)測對象的表面或埋在結構內部，通常要經歷溫度、軸向拉伸和角度3種變化。布里淵頻移量ΔvB的實際組成為

光纖與裂縫斜交布置時，受到裂縫的橫向拉伸，產生了兩個轉角。由于光纖角度的理論值為-90°～90°，而裂縫的寬度則不存在上限值，理論上來說角度和軸向伸長的影響可能不在一個量級上。由于混凝土裂縫的寬度不宜超過0.4 mm，因此，當需要監(jiān)測的裂縫寬度為0.4 mm左右時，需要考慮光纖角度帶來的影響。如圖1所示。

裂縫和并列光纖相交得夾角∠1，如圖2所示。

圖2中，∠3=90°，∠2=（90°-∠1），代入式（2）中，整理得到光纖的實際伸長量

1.3 基于BOTDA的光纖角度原理

由于使用BOTDA解調儀監(jiān)測光纖變化，而基于BOTDA的光纖監(jiān)測對沒有伸長量的光纖純彎曲無法監(jiān)測，因此，角度變化最終回歸到伸長量的變化上來。通過有角度狀態(tài)和無角度狀態(tài)下相同裂縫寬度直線伸長量的不同來確定角度的量。

如圖3所示，當裂縫通過正交光纖l2和斜交光纖l1時，兩者的伸長量不一致，這種差異主要與光纖與裂縫的夾角有關。

分析角度與裂縫寬度的關系可知，當斜交裂縫的寬度為ω時，斜交光纖長度由原來的l1變?yōu)楝F(xiàn)在的l′1。因此，光纖的伸長量應為l′1-l1。用l1表示l′1，結果為

2 分布式光纖實驗

2.1 關于角度影響的實驗探究

為了研究光纖的角度原理，進行了如圖4所示的分布式光纖試驗。圖4左圖為軸向拉伸試驗，右圖為斜交拉伸試驗。

由于在混凝土的表面粘結光纖需要考慮惡劣的工作環(huán)境和分布式的概念，因此，該試驗所有光纖都將環(huán)氧樹脂粘貼在玻璃板的表面，這樣可以有效傳遞力，并在一定程度上改善光纖的工作環(huán)境。驗證了使用環(huán)氧樹脂貼敷光纖可以獲得準確的頻移縫寬值。

將4根連通的光纖均勻分布在玻璃板的表面，用環(huán)氧樹脂粘貼。通過人工制造裂縫的方式測量了在0.08、0.14、0.2、0.26、0.32 mm等裂縫寬度下，光纖的頻移影響。實驗數(shù)據(jù)顯示，不同的寬度對光纖的頻移量產生了影響，且裂縫寬度變化越大的光纖產生的頻移量也越大，如圖5所示。

實驗數(shù)據(jù)顯示，光纖所監(jiān)測的裂縫寬度變化與頻移基本符合線性關系?？梢缘玫绞褂铆h(huán)氧樹脂全程貼敷的光纖頻移與裂縫寬度變化量的公式，近似為

式中：Δl為裂縫的寬度；ΔvB為頻移量。

將光纖均勻分布在玻璃板的表面，用環(huán)氧樹脂粘貼。通過人工制造裂縫的方式測量在不同的裂縫寬度和折角下光纖的頻移影響。試驗通過設置5°、10°、15°、20°、25°的裂縫夾角，總結出角度與頻率呈線性變化關系。如圖6所示，相同裂縫寬度在不同角度下，頻率隨著角度的增大而增大。

對比軸向受拉試驗，得出角度因素所占總頻移的比重，如圖7所示。

由此可見，夾角越大，角度帶來的影響就越不可忽略。因此，有必要研究角度對光纖檢測的影響。

2.2 極值法測定裂縫位置

使用環(huán)氧樹脂固定光纖時，光纖的頻移變化量與環(huán)氧樹脂的傳力性能有密切關系。由于環(huán)氧樹脂材料受力的特點，環(huán)氧樹脂的應變與和裂縫的距離成反比，因此，可以反映裂縫的精確發(fā)生位置。經計算，通過擬合裂縫附近數(shù)據(jù)的二次曲線，求得駐點與實際裂縫位置對比。在裂縫處的頻移值如圖8所示。其偏移值較小，可將此法稱為極值法，通過極值法確定的裂縫點可以將測量的精度提升60%，變動范圍由±10 cm縮小到±4 cm范圍內。而且，由實驗所得負數(shù)段數(shù)據(jù)呈線性來看，由于環(huán)氧樹脂的固定作用，光纖可以表征被測對象的受壓狀況。

3 裂縫成像初探

當使用光纖監(jiān)測玻璃板裂縫時，因為粘結材料的作用，可以提高光纖測量的精度。可以在已知光纖布置方案的前提下反推角度和寬度，解決在實時監(jiān)測中已知數(shù)據(jù)太少的弊端。因此，根據(jù)式（3）編寫裂縫成像軟件，運行原理如下。

在之前的實驗中，根據(jù)BODTA解調儀監(jiān)測的圖像取出峰值作為參考點，如圖9所示。然后，對比經過裂縫變化之后的圖像，尋找頻移量變化最大的幾個位置，如圖10所示。

根據(jù)這幾個點在圖上的距離及光纖的布置方案，定出出現(xiàn)變化的幾個點在結構簡圖的位置，如圖11（a）；將幾個點連線獲得裂縫的圖像，如圖11（b）；附上光纖的布置簡圖，算出每個點的夾角，如圖11（c）；根據(jù)式（6）求出每一個點的裂縫寬度，然后，做兩條距離為裂縫寬度的平行直線并連線，得出裂縫簡圖，如圖11（d）。

根據(jù)裂縫寬度通過光纖在裂縫監(jiān)測上的應用，可以通過編程編寫相應程序，并應用于實地裂縫監(jiān)測中。雖然，光纖的數(shù)據(jù)采集仍然需要昂貴的電子設備支撐，但是引入軟件和網(wǎng)絡將是實現(xiàn)裂縫實時監(jiān)測、預警及查閱的重要一步。endprint

3 結論

系統(tǒng)介紹了基于BOTDA分布式光纖角度和測量原理，提出了光纖角度的受力模型和角度測量實驗模型，并提出了基于光纖角度的計算公式。通過實驗得出結論：

1）使用有一定變形能力的材料（例如，環(huán)氧樹脂）可以將測量的精度提升60%，由10 cm的變動范圍縮小到4 cm范圍內，而且，可以保護光纖。

2）強調了角度因素在裂縫測量中的重要性，使用考慮角度影響的公式可以縮小光纖測量的誤差。

3）使用反算法，驗證了傳感器推算裂縫角度的可行性，并為基于BOTDA的裂縫成像提出思路建議。

使用的解調儀精度為10 cm，在使用玻璃板實驗測量裂縫時，通過所得的實驗數(shù)據(jù)描繪出了與玻璃板的實際裂縫有較高仿真度的裂縫圖像，證明了極值法在基于BOTDA裂縫成像的可行性?，F(xiàn)有的裂縫監(jiān)測實驗中，所監(jiān)測的基本為單一裂縫或直線裂縫。

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